CN104022834B - Iq调制器中dc偏移的测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及IQ调制器中DC偏移的测量。所描述的是确定IQ调制器中DC偏移电压的系统和方法。首先，针对对IQ调制器的输入之一选择两个不同的DC测试电压。然后，将第一测试电压施加到对IQ调制器的一个输入，同时通过测量来自施加到对IQ调制器的另一输入的一组信号的输出来生成测试数据。然后施加第二测试电压并生成另一组测试数据。根据第一和第二组测试数据，可以构造二阶多项式函数并将该二阶多项式函数相互比较以产生功率值输出的比值。然后可以从功率值输出的比值确定DC偏移电压。

Description

IQ调制器中DC偏移的测量

技术领域

本公开涉及用于测量IQ调制器中的参数的系统和方法，并且更具体而言，涉及测量IQ调制器中常被称为DC偏移的偏移电压的系统和方法。

背景技术

IQ调制器是在RF和微波通信领域中众所周知的，在模拟和数字调制格式两方面均得到应用。IQ调制是一种调制具有两个基带输入信号的通常但不总是正弦形式的载波的方法。这两个信号时常被称为I（同信道）分量和Q（正交相位）分量。

图1是示例常规I-Q调制器5的框图。其包含以载波频率产生正弦信号的本地振荡器（或“LO”）10，被指定为ω_c。LO 10具有两个输出，其具有相等的量值且在相位上正好相差90度。来自LO 10的信号在混频器12、14中乘以两个独立的基带输入，即I和Q输入。将I和Q输入与载波频率ω_c的这些乘积相加以产生频率转换的结果。基带输入可以包含任何任意波形，尽管这些输入的带宽通常小于载波频率。

在图1中，基带输入被指定为x（同相）和y（正交），同时两个LO信号被指定为I和Q。当使用载波频率处的相量注释进行表示时，两个LO信号简单地为：

。

调制器5的输出是这两个正交LO信号I和Q乘以两个基带调制输入（由{x,y}表示）后求和：

。

以这种方式，I-Q调制器5将实值基带输入{x,y}进行上转换，如同一起取得那样，它们一起成为复值输入（x+jy）。

图2是示出理想I矢量20和理想Q矢量22的相量图。尽管理想调制器将生成I和Q信道，该I和Q信道具有跨期望频率的完全相同的幅度增益，并将彼此异相正好90度，但是I和Q信号的真实世界实现不具有相同的量值，且在相位上不是正好相差90度。I-Q调制器的附加的非理想方面（诸如两个混频器之间的不同增益和相位）也可以被建模为I和Q LO信号之间的幅值和相位不平衡。这些不平衡可能影响从调制器生成的信号的质量。

在不失一般性的情况下，I矢量可以被任意地定义成一，并且然后可以将Q矢量重新表述为：

其中ϵ和γ分别表示量值和相位上的误差。此误差本身可以被表示在相量图中。例如，在图2中，该有误差的Q矢量由矢量24描绘。这种误差也被称为“IQ不平衡”，且通常随操作参数（诸如本地振荡器10的载波频率和驱动功率）上的改变而变化。

IQ调制器的设计和构造方面的不完美导致在{x,y}输入处存在明显的DC偏移。这引起了正好在载波频率处调制的信号的问题。通常期望去除载波频率处的信号分量。为了在调制信号中实现此结果，在{x,y}输入处呈现的模拟波形通常将被设计为具有零平均DC电平。不幸的是，调制器中的DC偏移在这些条件下导致载波频率处的不期望的信号分量。

因此，重要的是，调整模拟输入波形的平均DC电平以补偿IQ调制器中的内部偏移，从而从调制信号去除载波分量。当具有特定量值和相位的分量必然在载波频率处有意地生成时，出现类似的问题。

不可能在不确定DC偏移的情况下从IQ调制器输出去除载波分量，该DC偏移必须是首先被测量的。图3中图示了一种用于测量DC偏移的常规方法。在典型的方法中，调整x输入的DC平均以最小化载波信号幅值。通常，因为在调制器的y输入处存在的未知DC偏移，这不会将载波幅值减少到零。因此，用于测量偏移的标准方式变为迭代过程，其中首先调整x输入的第一DC平均，然后调整y输入。然而，调整y输入影响x偏移，因此然后，再次调整x输入，后面是再次调整y输入。每次迭代通常减少在后续迭代中进行的调整的量，直到最终载波幅值被驱动至可接受地低的水平。附加的复杂难题在于：载波功率相对于DC偏移的变化不是线性的，以及当前技术使用各种迭代搜索技术来定位使载波功率最小的偏移。图3图示了仅前四次迭代，但是在实践中，最终的DC测量可能涉及许多迭代。

如从以上描述可以想象的，诸如上述迭代技术之类的用于测量DC偏移的常规测量技术经受着诸如对于测量而言乏味且耗时之类的缺点。因此，常规DC偏移测试方法是不准确的、耗时过长、或两者都有。

本发明的实施例解决了现有技术的这些以及其他限制。

发明内容

本发明的各方面包括一种确定IQ调制器中的DC偏移的方法，包括：选择用于对IQ调制器的第一输入的第一和第二电压，所述第一输入诸如是Q输入。然后，针对施加到Q输入的第一和第二电压中的每一个，将一组输入信号施加到IQ调制器的第二输入，所述第二输入诸如是I输入，以及从IQ调制器的输出生成相应的一组测量参数。在一些实施例中，生成测量参数可以包括确定载波功率。接下来，该方法可以包括：从与IQ调制器的第一输入的第一电压有关的该组测量参数生成第一二阶多项式函数，以及从与IQ调制器的第一输入的第二电压有关的该组测量参数生成第二二阶多项式函数。在一些实施例中，所述二阶多项式函数可以是抛物线。然后可以比较第一和第二函数的因数以确定第一和第二函数与彼此的关系，并且从所确定的函数关系确定DC偏移。

其他方面可以包括用于确定IQ调制器中的DC偏移的装置。这种装置可以包括：对IQ调制器的第一输入，诸如Q输入，在该第一输入处可以接受第一和第二电压；以及对IQ调制器的第二输入，在该第二输入处可以针对第一和第二电压中的每一个施加一组输入信号。第二输入可以是I输入，并可以包括例如三个或更多个信号。检测器被构造为针对该组输入信号中的每一个从IQ调制器的输出生成相应的一组测量参数，以及函数生成器被构造为从测量参数生成多项式函数，诸如抛物线。一旦生成了函数，比较器就可以被用来将所生成的多项式函数的因数(诸如功率电平)相互比较，以生成测量参数之间的关系。然后，偏移计算器可以从所确定的关系确定DC偏移。

附图说明

图1是示例常规I-Q调制器的框图。

图2是图示了常规I-Q调制器的示例IQ不平衡的相量图。

图3图示了根据现有技术的迭代偏移测量技术。

图4图示了根据本发明的实施例的偏移测量技术。

图5是图示了根据本发明的实施例的确定IQ调制器中的DC偏移的示例方法的流程图。

图6是图示了根据本发明的实施例的用于确定IQ调制器的DC偏移的装置的部件的功能框图。

具体实施方式

本公开总体上考虑了信号生成系统中IQ调制器的使用，而不是接收设备，尽管本发明的实施例也适用于接收器。由此，假设基带信号是输入信号，且不是如将作为具有接收设备的情况那样的输出信号。

本发明的实施例涉及用于确定DC偏移的系统和方法，其是非迭代的，且可以与少至六个测量一同起作用。数学框架将辅助理解该算法。由于在对调制器的同相输入处施加某DC电平而产生的I矢量可以被定义为：

。

这里，v_I是有意施加的电压，而ϵ_I是DC偏移。这些因数可以如以上所示而被组合，其中作为I矢量的实际量值的α是平均DC输入电压加上某未知偏移的结果。对于Q同样是这种情况：

。

载波输出功率与I和Q的矢量和的量值平方成比例。这可以如下表示。

为了清楚起见，省略了有时用来以特定单位产生功率的常量乘数。此外，已经忽略了本地振荡器的I和Q信号之间在量值上的任何差异，因为该算法对任何此类差异不敏感，如以下所述。

图4以图形方式图示了矢量求和。Q矢量的两个不同长度被图示为附图标记210。在每种情况下，通过更改I矢量量值而可访问的一维子空间被示为线220、230。对于每个子空间，I矢量222、232在被加到对应的Q矢量时分别最小化所得到的矢量的长度。这对应于针对两个Q矢量中的每一个的最小可能载波幅值。在图4中将这些点标记为P1和P2。

当然，问题在于图4中I和Q矢量的长度分别等于以上等式中的α和β。因为DC偏移{ϵ_I, ϵ_Q}是未知的，所以仅可能将矢量的长度改变受控制的量。

对于等式(1)中α或β的任何固定值，功率函数P(*)在其他变量中是二次的，并且也因此在输入电压vI或vQ中是二次的。此观察允许用于确定图4中的点P1、P2的新方法。

最初，保持v_Q（以及因此β）固定，其是在DC偏移ϵ_Q也固定的假设下、至少在本发明的实施例确定DC偏移时的持续时间内进行的。现在，确定对于其而言载波功率最小的v_I的值；将该点称为{v_I1, v_Q1, P₁}。因为已知v_I和P之间的关系在这些条件下是二次的，所以可以针对v_I的三个不同值和对数据点的二阶多项式拟合来测量P。一旦多项式系数是已知的，就容易计算或确定最小值点。

然后，将v_Q改变为不同值并重复以上步骤，这将得到新的最小值点{v_I2, v_Q2, P₂}。图4中示出了这两个点的示例。注意到，通过实验形成了两个相似三角形。在一些情况下，第二个实验可以在Q矢量反转方向上产生，但所得到的三角形仍是相似的。

由于这两个点的三角相似性，载波电压中的比值（下面被指定为r）将等于两个（未知）Q矢量量值的比值：

。

在以上等式中，P₁, P₂, v_Q1, v_Q2都是已知的值，因此仅偏移电压EQ是未知的，其由下式确定：

。

为了早先等式中的清楚起见，忽略了DC偏移与实际载波功率之间的常量乘数。在以上等式中对功率求比值的事实有效地抵消了该乘数并不对其予以考虑。

由于相同的几何相似性，实际I矢量量值在两个点之间改变的量还等于载波电压比值：

。

也为了清楚起见，以上解释忽略了I和Q矢量之间在量值上的任何差异。因为本发明方法涉及功率电平与I之间的比值，所以针对Q矢量量值的任何此类差异是不显著的。

由于在以上等式中出现的绝对值算子，事实上存在对问题的四个可能解。在最差的情况下，进行另外四个测量或测试来确定将哪个或哪些答案选择为最有用的答案。实际上，最正确的答案时常可以根据对于等式的答案而猜出，通过单次测量而确认。

存在某些情况，其中由本发明的实施例生成的答案可被认为是无意义的。例如，如果测量功率之一碰巧为零，则来自等式的输出可以是未定义的；然而在这种情况下，已经意外地发现精确的DC偏移，因此不存在任何真正的问题。

当满足下式时，另一问题可能发生：

。

在这种情况下，r=1，并且等式的分母变为零。在这种情况下，偏移电压仍可以被容易地确定：

。

图5是图示了根据本发明的实施例的示例方法的流程图。流程500开始于操作510处，在该处，选择用于v_Q的两个不同的DC测试电压。在优选的实施例中，所选择的电压近似相差期望DC偏移值，且也足够大以产生可测量的载波幅值。

在操作520中，将第一选择的测试电压施加到Q输入，并且利用施加到I输入的至少三个不同DC电压测量载波功率。在优选的实施例中，可以进行多于三个测量，尤其是当系统噪声或测量分辨率是考虑因素时。再一次，对于数值精度，也更好的是，这些电压相差如以上参考操作510所述的量。

在操作530中，将所测量的点拟合到二阶多项式等式，然后，操作540确定多项式函数的最小值点。这是{v_I1, v_Q1, P₁}。

在操作550中，针对第二Q测试电压重复操作520、530和540，以得到{v_I2, v_Q2, P₂}。在优选实施例中，三个I测试电压可以被移位以跨在点v_I1上。

在操作560中，针对两个Q矢量量值、使用以下等式来计算r：

。

然后，在操作570中，使用在操作560中计算出的r值以使用等式2和3分别计算DC偏移和。

在计算DC偏移之后，可以评估特殊情况。例如，如果在操作560中计算出的r接近于一，则可以改变用于I的第二测试电压，并且该过程再次运行，并且，如果v_I1和v_I2近乎相同，则近似等于它们的平均。进一步，如果载波功率之一为零，则最初选择了精确的DC偏移，并且进一步的计算是不必要的。

特别地，本发明的示例性实施例可以包括一种确定IQ调制器中的DC偏移的方法，包括：选择用于对IQ调制器的第一输入的第一和第二电压，所述第一输入诸如是Q输入。然后，针对施加到Q输入的第一和第二电压中的每一个，将一组输入信号施加到IQ调制器的第二输入，所述第二输入诸如是I输入，以及从IQ调制器的输出生成相应的一组测量参数。在一些实施例中，生成测量参数可以包括确定载波功率。接下来，该方法可以包括：从与IQ调制器的第一输入的第一电压有关的该组测量参数生成第一二阶多项式函数，以及从与IQ调制器的第一输入的第二电压有关的该组测量参数生成第二二阶多项式函数。在一些实施例中，所述二阶多项式函数可以是抛物线。然后可以比较第一和第二函数的因数以确定第一和第二函数与彼此的关系，并且从所确定的函数关系确定DC偏移。

该方法可以进一步包括：例如，确定第一和二阶多项式函数的最小值，并从第一和二阶多项式函数的最小值确定功率电平。

显而易见的是，本发明的实施例还可以利用数学上显而易见的改变、通过交换x和y输入而执行。

图6是包括电压偏移测量器652的部件600的功能框图。偏移测量器652还可以与补偿电路组合，使得IQ调制器610和部件600可以被自校准。换言之，偏移测量器可以使用上述技术来测量IQ调制器610的DC偏移，并且然后将调制器610补偿所测量的量，以使IQ调制器最为高效。

在其他实施例中，补偿测量器652可以处于耦合到部件600的另一仪器（未示出）中，并被用来测量或补偿IQ调制器610中的DC偏移。在另外其他实施例中，偏移测量器可以被体现为可由处理器658执行的存储在存储器659或其他计算机可读介质中的软件，以产生DC测量或补偿。

在特定实施例中，一种用于确定IQ调制器中的DC偏移的装置，该装置包括：对IQ调制器的第一输入，诸如Q输入，在该第一输入处可以接受第一和第二电压；以及对IQ调制器的第二输入，在该第二输入处可以针对第一和第二电压中的每一个施加一组输入信号。第二输入可以是I输入，并可以包括例如三个或更多个信号。检测器被构造为针对该组输入信号中的每一个从IQ调制器的输出生成相应的一组测量参数，以及函数生成器被构造为从测量参数生成多项式函数，诸如抛物线。一旦生成了函数，比较器就可以被用来将所生成的多项式函数的因数(诸如功率电平)相互比较，以生成测量参数之间的关系。然后，偏移计算器可以从所确定的关系确定DC偏移。

实施例还可以包括：最小值检测器，其被构造为检测所生成的多项式函数的最小值；以及功率检测器，其被构造为从多项式函数的最小值确定功率电平。

该装置可以被体现在仪器中，并进一步可以被包括在对仪器本身的自校准电路中。

已经参考所说明的实施例描述和说明了本发明的原理，将认识到的是，在不背离这些原理的情况下，可以在布置和细节上修改所说明的实施例，并且可以按照任何期望方式将所说明的实施例进行组合。并且尽管前述讨论已经集中在特定实施例上，但其他配置也是可想到的。

特别地，尽管在本文中使用了诸如“根据本发明的实施例”等等的表达，但这些短语意图一般地参考实施例可能性，而不意在将本发明限制到特定实施例配置。如本文所使用的，这些术语可以参考可被组合成其他实施例的相同或不同实施例。

因此，鉴于对本文所描述的实施例的各种各样的排列，该具体实施方式以及所附材料意在仅是说明性的，而不应当被看作限制本发明的范围。因此，如本发明所要求保护的内容是如可落在以下权利要求及其等同物的范围和精神之内的所有这种修改。

Claims (14)

1.一种确定IQ调制器中DC偏移的方法，所述方法包括：

选择用于对IQ调制器的第一输入的第一和第二电压，第一输入是正交输入；

对于第一和第二电压中的每一个：

将一组输入信号施加到所述IQ调制器的第二输入，并从所述IQ调制器的输出生成相应的一组测量载波功率，第二输入是同相输入；

从与所述IQ调制器的第一输入的第一电压有关的该组测量载波功率生成第一二阶多项式函数；

从与所述IQ调制器的第一输入的第二电压有关的该组测量载波功率生成第二二阶多项式函数；

比较第一和第二函数的功率电平以确定第一和第二函数与彼此的关系；以及

从所确定的函数关系确定DC偏移。

2.根据权利要求1的确定IQ调制器中DC偏移的方法，进一步包括：

确定第一和第二二阶多项式函数的最小值。

3.根据权利要求2的确定IQ调制器中DC偏移的方法，进一步包括：

从第一和第二二阶多项式函数的最小值确定功率电平。

4.根据权利要求3的确定IQ调制器中DC偏移的方法，其中所确定的关系是从第一和第二二阶多项式函数的最小值确定的功率电平的比值。

5.根据权利要求1的确定IQ调制器中DC偏移的方法，其中从所述IQ调制器的输出生成相应的一组测量载波功率包括：测量所述IQ调制器的载波功率，同时将电压施加到所述第一输入。

6.根据权利要求1的确定IQ调制器中DC偏移的方法，其中生成第一二阶多项式函数包括生成抛物线函数。

7.一种用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，所述装置包括：

对IQ调制器的第一输入，所述第一输入是正交输入，在所述第一输入处能够接受第一和第二电压；

对IQ调制器的第二输入，所述第二输入是同相输入，在所述第二输入处能够针对第一和第二电压中的每一个施加一组输入信号；

检测器，其被构造为针对该组输入信号中的每一个从IQ调制器的输出生成相应的一组测量载波功率；

函数生成器，其被构造为从测量载波功率生成多项式函数；

比较器，其被构造为将所生成的多项式函数的功率电平相互比较，以生成测量载波功率之间的关系；以及

偏移计算器，其被构造为从所确定的关系确定DC偏移。

8.根据权利要求7的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，进一步包括：

最小值检测器，其被构造为检测所生成的多项式函数的最小值。

9.根据权利要求8的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，进一步包括：

功率检测器，其被构造为从所述多项式函数的最小值确定功率电平。

10.根据权利要求9的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，其中所述比较器被构造为确定从所述多项式函数的最小值确定的功率电平的比值。

11.根据权利要求7的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，其中所述多项式函数是抛物线函数。

12.根据权利要求7的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，其中对于施加到所述第一输入的第一和第二电压中的每一个，施加到所述第二输入的该组输入电压包括至少三个电压。

13.根据权利要求7的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，其中所述装置被体现在校准电路中。

14.根据权利要求13的用于确定IQ调制器中DC偏移的装置，其中所述装置被体现在测量仪器的自校准电路中。